1 
О чем это новое открытие?
Металлоцены – одни из важнейших молекул в органометаллической химии. Они имеют уникальную архитектуру: атом металла надежно зажат между двумя углеродными кольцами, что создает структуру, которую ученые часто называют молекулярным сэндвичем. Их используют в самых разнообразных сферах – от катализа и материаловедения до медицины, сенсоров и технологий доставки лекарств. Несмотря на это, ученые долгое время не могли точно проследить процесс их формирования, поскольку ключевые промежуточные стадии существуют лишь доли секунды, прежде чем трансформироваться во что-то другое. Исследование в журнале Journal of the American Chemical Society дает ответ на эту загадку.
Смотрите также Революционная разработка позволит ИИ-агентам учиться непрерывно, самостоятельно и без вмешательства людей
Недавно исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) сделали прорыв, зафиксировав и полностью описав ранее невиданный промежуточный этап образования металлоценов. Их выводы дают новое понимание того, как собираются эти молекулы, как они вступают в реакции и как их можно усовершенствовать для будущего использования.
Одним из наиболее известных представителей этой группы материалов является ферроцен – молекула, где атом железа расположен между двумя кольцами из пяти атомов углерода. Его открытие стало настолько важным для науки, что принесло разработчикам Нобелевскую премию по химии 1973 года. Фероцен подчиняется классическому принципу: стабильные комплексы переходных металлов обычно имеют 18 электронов на внешней оболочке.
Группа специалистов по органометаллической химии OIST под руководством доктора Сатоши Такебаяши искала способы выйти за эти традиционные пределы. В прошлом году команда сообщила о необычных производных ферроцена, содержащих 20 электронов. При попытках создать похожие 20-электронные комплексы с использованием рутения, реакции неожиданно дали обычные 18-электронные соединения, что и заставило ученых начать детальное расследование.
Мы смогли изолировать промежуточную структуру из нашей реакции образования рутениевого комплекса и охарактеризовать ее с помощью монокристальной рентгеновской дифракции. На удивление, мы обнаружили, что структура имеет двойное скольжение колец,
– прокомментировал руководитель группы органометаллической химии OIST Сатоши Такебаяши.
Явление скольжения колец возникает, когда меньшее количество атомов в молекулярном кольце участвует в связи с атомом металла. В этой новой структуре тип связи изменился: вместо того, чтобы привлекать все пять атомов углерода в каждом кольце, металл соединялся только с одним атомом на кольцо. Ученые утверждают, что это первый случай, когда промежуточный продукт сэндвичевой структуры с двойным скольжением колец удалось полностью охарактеризовать на молекулярном уровне.
Для стабильных 18-электронных металлоценов множественное скольжение колец является большой редкостью, но в этом случае процессу поспособствовал так называемый клещевой лиганд. Эта молекула связывает металл через три разных атомных узла, как механический зажим, что позволило стабилизировать редкую форму. Исследователи использовали комплекс методов, включая ядерный магнитный резонанс и масс-спектрометрию. Оборудование, например спектрометр Bruker Avance III NEO 500, позволило точно определить химические сдвиги и структуру.
Смотрите также Раньше это было невозможно: физики впервые достигли идеальной случайности
Что это нам дает?
Открытие имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение для создания "умных" материалов. Когда молекулярная структура меняется из-за скольжения колец, меняются и ее свойства, что открывает путь к разработке материалов, которые реагируют на внешние раздражители, например, на механическую силу.
В последнее время наблюдается возобновление интереса к включению металлоценов в материалы для получения различных свойств. Понимая, как они могут реагировать и деформироваться, мы можем проектировать регулируемые структуры для использования в системах доставки лекарств, катализаторах, датчиках и других сферах,
– добавил Сатоши Такебаяши.
Такие материалы в будущем можно будет настраивать для создания высокочувствительных химических датчиков или систем доставки лекарств следующего поколения, где высвобождение препарата будет происходить в ответ на конкретный сигнал.
Исследование подтвердило, что структура с двойным скольжением колец сначала превращается в нестабильную форму с одинарным скольжением, а уже потом становится конечным продуктом. Эти результаты дают четкую картину последовательности событий, происходящих во время трансформации молекул, которые являются фундаментом современной химии материалов.